Band gap closing in yttrium hydride at high pressures

イットリウム水素化物の高圧赤外分光

大村 彩子; 町田 晃彦; 綿貫 徹; 青木 勝敏; 中野 智志*; 竹村 謙一*

Omura, Ayako; Machida, Akihiko; Watanuki, Tetsu; Aoki, Katsutoshi; Nakano, Satoshi*; Takemura, Kenichi*

イットリウム(Y)の水素化物は、金属格子中の水素数によって多彩な物性を示す。この物質では、2つの絶縁体と金属間の転移がある。まず、一つめが金属でfcc構造の2水素化物から絶縁体でhcp構造の3水素化物への転移である。この金属-絶縁体転移に関して理論研究がされており、バンドギャップの形成は金属のd軌道と水素のs軌道の混成によるとの推測がある。もう一方は、絶縁体の3水素化物で見いだした圧力誘起金属化である。Yの3水素化物における金属化もまた、理論計算からおよそ15%の体積減少で生じることが推測されていた。われわれは高圧力下で合成した試料を用いて赤外分光測定を行い、3水素化物の絶縁体-金属転移を圧力23GPaで初めて見いだした。Yの3水素化物が圧力10GPaから20GPaの領域でhcp構造からfcc構造へ変化することが知られている。金属化した23GPaは既にfcc構造への転移が完了しているために、この圧力誘起金属化は構造変化を伴わない電子転移的な変化の可能性が考えられる。

Yttrium hydride shows a structural change from a cubic dihydride to a hexagonal trihydride by hydrogenation. This is accompanied by the metal-insulator transition. The theoretical calculation of yttrium hydride speculates that the hybridization between 4d-Y and 1s-H leads to the opening of a large energy gap. They also predict that a transition from insulator to metal occurs when the volume is reduced to about 85% of the equilibrium volume in yttrium trihydride. Recently, we performed an infrared spectroscopy of yttrium trihydride to investigate pressure-induced metallization under high pressure. The insulator-metal transition occurred with an abrupt disappearance of the optical gap of 1 eV at 23 GPa. There is a possibility of the electronic transition because no structural changes occur above 20 GPa. The electronic transition can be attributed to the delocalization of the 1s electrons bound to the H+ core ions or the rearrangement of hydrogen atoms.